Risolto il mistero delle pulsar

Le pulsar furono registrate per la prima volta nel novembre del 1967 da Susan Jocelyn Bell che trovò un segnale che pulsava ogni 1.3373011 secondi. La sorgente, venne chiamata scherzosamente LGM1, (dove LGM è l’acronimo di Little Green Men) in quanto la Bell e il suo advisor, il redioastronomo Antony Hewish, non esclusero inizialmente di aver trovato un segnale proveniente da una civiltà extraterrestre, in quanto appariva troppo regolare per essere naturale.
Bell e Hewish trovarono un secondo segnale pulsante che presentava un intervallo di tempo leggermente diverso, pari a 1,2 secondi, proveniente dall’altra parte del cielo. Questa scoperta rese estremamente improbabile che la fonte fosse un’intelligenza extraterrestre. In seguito si capì che le sorgenti identificate erano fenomeni naturali, stelle di neutroni rotanti ad altissima velocità. Ciò derivava da una teoria formulata da Robert Oppenheimer e Fritz Zwicky negli anni ’30, secondo cui quando una stella massiccia muore, può collassare in un corpo incredibilmente denso e rotante composto da neutroni.
Nel 1968 Iocelyn Bell conseguì il dottorato di ricerca: le pulsar apparvero nell’appendice della sua tesi di laurea. Nel 1974 Hewish ricevette il premio Nobel per la scoperta.
Queste stelle si comportano come veri e propri fari, emettendo onde radio dai loro poli magnetici. Per oltre mezzo secolo, la causa delle emissioni radio ha confuso gli scienziati. Ora un gruppo di ricercatori ritiene di aver finalmente identificato il meccanismo alla base del fenomeno. La scoperta potrebbe essere utile ad altri progetti basati sui tempi di emissioni delle pulsar come ad esempio gli studi sulle onde gravitazionali.
La spiegazione dei ricercatori prende in considerazione i potenti campi elettrici generati della pulsar, che strappano gli elettroni dalla superficie della stella e li accelerano ad energie elevatissime. Gli elettroni accelerati iniziano ad emettere raggi gamma ad alta energia. Questi raggi gamma, se assorbiti dal campo magnetico ultra-potente della pulsar, producono una pioggia di elettroni aggiuntivi e della loro controparte di antimateria, i positroni (elettroni con carica positiva).
Le particelle cariche appena nate lambiscono i campi elettrici, facendoli oscillare. I campi elettrici oscillanti in presenza dei potenti campi magnetici della pulsar provocano quindi l’emissione di onde elettromagnetiche. Utilizzando simulazioni al plasma, i ricercatori hanno scoperto che le onde elettromagnetiche corrispondono alle onde radio osservate nelle pulsar.
“Il processo è molto simile a un fulmine“, afferma l’autore principale dello studio Alexander Philippov, ricercatore associato presso il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute di New York City. “Dal nulla, hai una scarica potente che produce una nuvola di elettroni e positroni, e poi, come un bagliore, compaiono le onde elettromagnetiche“. Philippov e i collaboratori Andrey Timokhin dell’Università di Zielona Góra in Polonia e Anatoly Spitkovsky dell’Università di Princeton hanno presentato i loro risultati il ​​15 giugno scorso  in Physical Review Letters.
Le pulsar sono stelle di neutroni, resti densi e altamente magnetizzati di stelle che hanno terminato il loro ciclo di fusione nucleare e non più in grado di sostenersi sono collassate. A differenza di altre stelle di neutroni, le pulsar ruotano a velocità elevatissime, alcune di esse ruotano più di 700 volte al secondo. Quella rotazione genera potenti campi elettrici.
I poli magnetici di una pulsar emettono fasci continui di onde radio nello spazio circostante. Queste emissioni radio sono speciali in quanto coerenti, il che significa che le particelle che le creano si muovono l’una con l’altra. Mentre la pulsar ruota al altissima velocità, i raggi si muovono in cerchio nello spazio. Dalla Terra, le pulsar lampeggiano come immensi fari cosmici mentre i raggi entrano ed escono dalla nostra visuale. I tempi di queste emissioni sono estremamente precisi tanto da competere con i migliori orologi atomici.
Per 50 anni gli astronomi hanno cercato di scoprire il meccanismo alla base delle emissioni pulsar senza risultati. Philippov, Timokhin e Spitkovsky hanno adottato un diverso approccio al problema creando simulazioni 2-D del plasma che circonda i poli magnetici di una pulsar. Le simulazioni del team replicano come i campi elettrici di una pulsar accelerano le particelle cariche.
L’accelerazione produce fotoni ad alta energia che interagiscono con il campo magnetico intenso della pulsar per produrre coppie elettrone-positrone, che vengono poi accelerate dai campi elettrici creando ancora più fotoni. Questo processo alla fine riempie la regione di coppie elettrone-positrone.
Nelle simulazioni, le coppie elettrone-positrone creano i propri campi elettrici che si oppongono e smorzano il campo elettrico iniziale. Alla fine, il campo elettrico originale diventa così debole che raggiunge lo zero e inizia a oscillare attraverso valori negativi e positivi. Il debole campo elettrico oscillante, se non esattamente allineato al potente campo magnetico della pulsar, produce radiazione elettromagnetica.
I ricercatori vogliono ampliare le loro simulazioni per avvicinarsi alla fisica reale di una pulsar per cercare di capire il funzionamento del processo. Philippov spera che il loro lavoro alla fine migliorerà la ricerca che si basa sull’osservazione precisa dei tempi delle emissioni della pulsar che raggiungono la Terra.
Gli astronomi delle onde gravitazionali, ad esempio, misurano piccole fluttuazioni nella temporizzazione pulsar per rilevare le onde gravitazionali che si estendono e comprimono il tessuto dello spazio-tempo.
“Se capisci come viene prodotta l’emissione, c’è la speranza che possiamo produrre un modello degli errori nell’orologio pulsar che può essere usato per migliorare gli array di temporizzazione pulsar“, afferma Philippov.
Inoltre, una comprensione così profonda potrebbe aiutare a risolvere la misteriosa fonte di esplosioni periodiche di onde radio, note come esplosioni radio veloci, emesse dalle stelle di neutroni.
Fonte: https://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp67be.html